中山大學(xué)物理學(xué)院、光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王雪華教授團(tuán)隊(duì)在常溫、常壓下首次實(shí)現(xiàn)了確定性單量子點(diǎn)與單個(gè)金屬納米顆粒光子模的量子強(qiáng)耦合相互作用，為規(guī)?；苽涫覝毓虘B(tài)單量子比特開(kāi)辟了一條可行的路徑。

單激子與光子的室溫量子強(qiáng)耦合及其量子態(tài)調(diào)控是實(shí)現(xiàn)室溫量子光電子器件及其固態(tài)量子芯片的核心基礎(chǔ)，但室溫下固態(tài)系統(tǒng)的巨大耗散使它的實(shí)現(xiàn)極為困難。自本世紀(jì)初，世界上眾多研究組為攻克這一難題而競(jìng)相開(kāi)展研究。直到2015年，瑞典Chalmers 理工大學(xué)Shegai研究組才把與表面等離激元強(qiáng)耦合的激子數(shù)降到了80個(gè)左右；2016年，英國(guó)劍橋大學(xué)Baumberg研究組在《自然》雜志報(bào)道了表面等離激元微腔與2.5個(gè)激子（統(tǒng)計(jì)平均）的室溫量子強(qiáng)耦合；2017年，中山大學(xué)王雪華教授團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了1.38 個(gè)激子（統(tǒng)計(jì)平均）的室溫量子強(qiáng)耦合 [PRL,118, 237401 (2017)]。但對(duì)室溫可擴(kuò)展固態(tài)量子信息處理具有特殊重要性的確定性單激子與單納米顆粒光子模的室溫量子強(qiáng)耦合一直未能實(shí)現(xiàn)。

在前期研究的基礎(chǔ)上，王雪華教授團(tuán)隊(duì)就該問(wèn)題開(kāi)展了5年多的攻關(guān)研究。他們利用分子耦連技術(shù)和光照光力吸引原理，巧妙地將單個(gè)殼層量子點(diǎn)鏈接到單金納米棒端部電場(chǎng)最強(qiáng)的熱點(diǎn)位置。當(dāng)該耦合系統(tǒng)與碳薄膜襯底形成“楔形腔”構(gòu)型時(shí)，光場(chǎng)能夠被更加有效地“拽入”并局域在量子點(diǎn)激子所在的殼層（如圖 1所示），這可顯著增強(qiáng)激子與光子的相互作用、從而克服室溫下的巨大耗散。結(jié)合暗場(chǎng)散射光學(xué)測(cè)量與冷凍電鏡斷層成像技術(shù)，確認(rèn)在常溫常壓下實(shí)現(xiàn)了單量子點(diǎn)與單個(gè)金屬納米棒光子模的量子強(qiáng)耦合 （如圖 2所示），觀測(cè)到了迄今為止單激子強(qiáng)耦合系統(tǒng)散射光譜的最大Rabi 劈裂（~234 meV）。

圖 1 (a) 單根金納米棒與單個(gè)量子點(diǎn)形成“鍥形腔”構(gòu)型的強(qiáng)耦合示意圖；(b) 單個(gè)Au NR@QD1結(jié)構(gòu)的x-y、x-z電場(chǎng)分布圖，其中量子點(diǎn)被壓在金棒一端的下方。(i)中的綠色虛線是電場(chǎng)分布的x-y視圖數(shù)據(jù)提取的平面；(c) 歸一化電場(chǎng)、耦合強(qiáng)度與距離（沿(b)中綠色箭頭從金棒到量子點(diǎn)中心）的關(guān)系圖。灰色豎虛線中間為量子點(diǎn)核區(qū)域，粉色區(qū)域示意系統(tǒng)達(dá)到輻射強(qiáng)耦合狀態(tài)。

圖 2 (a) 不同失諧量情況下單個(gè)Au NR@QD1雜化系統(tǒng)的暗場(chǎng)散射測(cè)量結(jié)果，其中圖（ii）中的光譜劈裂高達(dá)~234 meV；(b) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（點(diǎn)圖）及理論計(jì)算（線圖）得到的雜化系統(tǒng)色散關(guān)系；(c) 色散關(guān)系上支(UPB)與下支(LPB)中的等離激元模式、量子點(diǎn)激子的相對(duì)占比；(d) “鍥形腔”構(gòu)型的電場(chǎng)分布圖；(e) 室溫下“鍥形腔”構(gòu)型與非“鍥形腔”構(gòu)型的Comsol仿真散射譜結(jié)果

相關(guān)研究成果以“Room-Temperature Strong Coupling Between a Single Quantum Dot and a Single Plasmonic Nanoparticle”為題，于2022年5月31日在線發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《Nano Letters》上。審稿人高度評(píng)價(jià)該成果是量子表面等離激元研究領(lǐng)域的一個(gè)突破性工作（“breakthrough level work”）。中山大學(xué)李筠瑜博士生和李威博士為該工作的共同第一作者，河南大學(xué)劉仁明教授（王雪華教授2016屆博士畢業(yè)生）和中山大學(xué)王雪華教授為共同通訊作者。上述工作得到了廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、廣東省特支計(jì)劃杰出人才項(xiàng)目等項(xiàng)目，以及中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和物理學(xué)院的大力支持。

作者：李筠瑜